日光增温水蓄能厌氧发酵反应器的运行试验

矫云学　赵国明　丁伟　张重

摘要：针对寒冷地区如何保证沼气越冬生产，且耗能低的问题，研制出一种日光增温水蓄能厌氧发酵反应器，该反应器具有良好的增保温和产气性能。并以牛粪为原料在环境温度不低于-23.2℃情况下进行了产气运行试验，结果发现整个产气周期物料温度从30.3℃一直升到49.5℃，日温度变化不大于1.1℃，池容平均产气率达到0.802m³/（m³·d），产气甲烷体积分数除前3d外都达到55%以上，表明反应器具有良好的增保温性能，较高的池容产气率和较好的产气质量。

关键词：寒冷地区；沼气；保温；节能；太阳能

中图分类号：S216.4 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170132002

引言

沼气技术是解决农村环境污染、有效利用畜禽粪污资源的重要途径，在畜禽粪污处理和资源化利用方面具有明显的优势，它可以将畜禽粪污转化成清洁能源沼气和优质沼肥，实现畜禽粪污无害化处理，减少温室气体排放。目前，沼气技术在我国温暖的南方地区使用和推广情况较好，但在寒冷的北方地区由于受冬季低温影响，存在冬季产气耗能大，传统沼气反应器保温设施简陋，冬季产气需要燃烧大量的燃煤等，经济效益差，农民使用沼气的积极性不高，基本处于半年产气半年停的状态。如何保证沼气冬季发酵温度，且耗能低或不耗用常规能源是广大科技工作者研究的重要方向和需要解决的难题。

本课题开发设计了日光增温水蓄能厌氧发酵反应器，能够充分利用太阳能为物料增温，且通过反应器保温结构的合理设计，使物料在沼气发酵过程中始终保持在较好的发酵温度，并具有较高的产气率和较好的产气效果。

1材料与方法

1.1试验时间、地点和试验装备

试验于2016年1月2-30日，在吉林省乾安县佳辰化工有限公司院内进行。试验装备为3m³日光增温水蓄能厌氧发酵反应器，如图1。

反应器采用内外双胆真空夹层卧式圆柱罐结构，内胆为3mm厚普通碳素钢板材Q235-A·F焊合制成，外胆为8mm厚玻璃钢材料制成，内外胆之间抽真空。圆柱罐内设有搅拌器和温度传感器Ⅰ。圆柱罐安放在支撑架上，下部设有蓄热换热水箱，水箱与下部的真空集热管直接连通，水箱内设有电加热棒和温度传感器Ⅱ，真空集热管下面设有反光板，反应器外部还设有温度传感器Ⅲ。温度传感器Ⅰ、温度传感器Ⅱ和温度传感器Ⅲ连接于温度控制仪。圆柱罐和蓄热换热水箱整体外部喷涂10cm厚聚氨酯保温层，并包裹2cm厚橡塑保温层。圆柱罐顶部设有出气口与储气袋连通，储气袋出气端装有沼气流量表。所用真空集热管尺寸为直径Φ58mm，长度1800mm，数量为46根，集热水箱容积660L。反应器结构剖视图如图2。

1.2试验原料

发酵原料为TS含量为18%的新鲜牛粪，接种物为干物质含量为10%的高温厌氧污泥。

1.3试验仪器仪表

L93-4L温度记录仪（成都华衡仪器有限公司，测量精度：±0.5～0.8℃，分辨率：0.1℃）、

G25型燃气表（天津大丰流量仪表厂，精度0.1m³）、TGT-100磅秤（焦作台秤厂，分度值50g，精度等级3级）、LFGB-002型沼气气体成分速测仪（英国）。

1.4试验运行

将真空集热管和蓄热换热水箱加满水。将新鲜牛粪送入厌氧发酵反应器内，加水调整进料干物质浓度为10%左右，同时加入30%左右的接种物，使总料量占反应器容积的80%，并利用搅拌器将物料混匀。利用真空集热管吸收太阳能热增温，通过温度传感器和温度记录仪记录每天各温度传感器测得的温度数据（间隔10min记录1次）。每天早、中、晚利用搅拌器分别搅拌物料1次，每次搅拌5～8min。每天用沼气气体成分速测仪按时测量沼气的甲烷体积分数1次。每天按时燃烧排空储气袋内沼气，并记录沼气流量表读数。

2结果与分析

2.1增保温效果

从日光增温水蓄能厌氧发酵反应器进料开始，到沼气发酵产气结束，共计29d，温度开始记录时间：2016年1月2日10：00，结束记录时间：2016年1月30日10：00，记录每天各温度传感器测得的温度数据。温度传感器Ⅰ测物料温度；温度传感器Ⅱ测水箱温度；温度传感器Ⅲ测环境温度。将测得的物料温度和水箱温度整理成如图3所示的物料温度、水箱温度变化趋势图，对应的环境温度整理成如图4所示环境温度变化趋势图。

环境温度随着昼夜的更替而急剧变化，同时随着季节和天气的变化而变化。整个发酵周期内最高环境温度为-2.5℃（时间为2016年1月2日13：40），最低环境温度为-23.2℃（时间为2016年1月14日6：40），变化幅度为20.7℃。沼气发酵期内日环境温度变化幅度最大为16.8℃（时间为2016年1月19日）；沼气发酵期内日环境温度变化幅度最小为8.8℃（时间为2016年1月23日）。

水箱温度随着昼夜的更替而急剧变化。整个发酵周期内最高温度为58.2℃，最低温度为37.6℃，变化幅度为20.6℃。沼气发酵期内日水箱温度变化最大为9℃（时间为2016年1月27日）；沼气发酵期内日水箱温度变化幅度最小为3.3℃（时间为2016年1月5日）。整个发酵周期内水箱温度始终高于物料温度，能够连续不断地为物料增温。

整个周期内物料温度呈平缓上升趋势，每日内温度略有波动，日内温度最大波动幅度为1.1℃（时间为2016年1月3日）；日内温度最小波动幅度为0.4℃（时间为2016年1月29日）。已有研究表明，温度发生波动会给沼气发酵带来一定的影响，一般1h内温度上下波动不宜超过±（2～3）℃。本试验中，在整个沼气发酵期内，每小时内的物料温度波动都远远小于±（2～3）℃。

总的说来，环境温度和水箱温度呈周期性剧烈波动，而反应器内物料温度变化趋势平缓，反应器内发酵物料温度受环境温度变化的影响较小，但能够不断从水箱吸热缓慢升温，从30.3～49.5℃跨越了中温到高温发酵过程，且日温度变化较小。由此可见，该反应器具有较好的保温和增温效果，为沼气发酵微生物的生长提供了良好的温度环境，有利于获得较高的产气率。

2.2产气效果

日光增温水蓄能厌氧发酵反应器的日产沼气量情况如图5所示。从2016年1月5日开始产气到2016年1月29日产气结束，25天总产气量为60.164m³，日均产沼气2.407m³，平均容积产气率0.802m³/（m³·d）（反应器容积按3m³计算），最高日产气量3.522 m³，最高日产气率达到1.174 m³/（m³·d）。

发酵期内沼气甲烷体积分数变化如图6所示。在沼气发酵开始后的前4 d，沼氣中甲烷就由44.3%快速上升到55.2%，从第5天到厌氧期结束，甲烷始终保持在55%～60%范围内，沼气质量较好。

3结论

本研究表明，在寒冷地区冬季气温不小于-23.2℃条件下，研制开发的日光增温水蓄能厌氧发酵反应器物料温度在整个产气周期内始终是缓慢上升的，一直从30.3℃升到49.5℃，日温度变化不大于1.1℃，沼气生产不会产生波动。结合产气情况，整个产气周期内平均容积产气率达到0.802m³/（m³·d），最高日产气率达到1.174m³/（m³·d），具有较高的产气率，同时产气甲烷体积分数整个产气周期内除前3d外都达到55%以上，具有较好的产气质量。因而说明通过采取内外双胆真空夹层卧式圆柱罐结构、蓄热换热水箱、真空集热管、反应器外保温以及搅拌器搅拌等技术措施，能够保证寒冷地区冬季达到良好的厌氧发酵温度、较高的平均产气率和较好的产气质量，解决了寒冷地区沼气越冬生产技术瓶颈。